項 越，趙淑婷，吳 昊，李 政，張震宇，王 歡

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 吉林 長春 130118）

必需礦質(zhì)元素是植物結(jié)構(gòu)和新陳代謝的基本組成成分，是植物生長、發(fā)育和分化過程中不可或缺的因素，在植物整個生長發(fā)育階段，缺乏礦物元素或者過量吸收均會導(dǎo)致植物體其他礦質(zhì)元素分配發(fā)生不同程度的變化，進(jìn)而影響其生長發(fā)育[1]。研究表明，鹽害對植物的傷害主要表現(xiàn)在滲透脅迫、離子毒害以及營養(yǎng)虧缺等方面[2]，鹽堿脅迫環(huán)境下植物體內(nèi)礦質(zhì)元素含量及其平衡狀態(tài)在植物種類和不同器官之間差異較大[3]。鹽脅迫對沙棗(Elaeagnus angustifolia)幼苗不同部位礦質(zhì)元素含量的影響體現(xiàn)在，鹽脅迫環(huán)境導(dǎo)致根中和地上部分大量積累Na，其他大量元素Ca、Mg、K 和P 在鹽脅迫環(huán)境中明顯低于無脅迫水平[4]。堿脅迫對植物的傷害程度往往大于鹽脅迫，堿脅迫不同于鹽脅迫的是相同脅迫離子濃度條件下具有較高的pH 環(huán)境，高pH 是堿脅迫甚于鹽脅迫的重要原因[5-6]。王永娟等[7]研究表明，堿脅迫條件下大豆(Glycine max)種子萌發(fā)過程中礦質(zhì)元素的下降趨勢比鹽脅迫下明顯。高濃度堿性鹽脅迫造成大豆種子中礦質(zhì)離子大幅度的失衡，進(jìn)而對種子萌發(fā)和生長造成嚴(yán)重傷害[3,7]。此外，堿脅迫降低牛疊肚(Rubus crataegifolius)幼苗根、莖和葉中Ca 和K 的積累，而顯著增加了Na 的積累，植物的莖部向葉片輸送K、Ca 同時截留Na，以此來維持植株體內(nèi)離子的相對平衡，保證了葉片正常的生理活動及對礦質(zhì)元素的需求[8]。植物不同器官或組織對離子的吸收、運(yùn)輸及區(qū)域化分布是植物適應(yīng)或者抵御鹽漬環(huán)境的重要響應(yīng)機(jī)制[9-10]。因此，探究鹽生植物不同器官如何應(yīng)對高堿化環(huán)境對明確不同礦質(zhì)元素吸收及積累變化情況意義重大。

虎尾草(Chloris virgata)為禾本科一年生草本植物，作為鹽堿地的先鋒植物，虎尾草種群的生態(tài)位較寬[11-12]?；⑽膊萸o葉柔軟，植物體無毒、無異味，故而適口性較好，馬、牛、羊等牲畜均喜食[13]。從化學(xué)成分含量和能量價值來看，其營養(yǎng)價值相對較高(粗蛋白質(zhì)含量7.22%)[14]?；⑽膊菔悄敛葜袃?yōu)良的青飼草和青干草之一[15]，開發(fā)利用前景廣闊，同時也是鹽堿地改良的備選植物[16]。目前，對虎尾草的研究備受關(guān)注，但多數(shù)均主要研究其在分類上的地位及其生態(tài)應(yīng)用價值[17]，有部分文獻(xiàn)研究了虎尾草的抗鹽堿性，主要分析了在鹽堿脅迫下，其離子、有機(jī)酸或光合方面的響應(yīng)[18-19]，但針對堿化環(huán)境對虎尾草不同器官礦質(zhì)元素積累變化的影響從未報道?；⑽膊葜饕植荚跂|北堿化草地，因此，本研究于溫室大棚中選擇營養(yǎng)液控制培養(yǎng)虎尾草，選擇150 mmol·L-1堿性鹽溶液(NaHCO3∶ Na2CO3= 9 ∶ 1)對虎尾草進(jìn)行一個月堿脅迫處理，用碳酸氫鈉和碳酸鈉按照一定比率混合充分模擬了虎尾草的生存環(huán)境，并檢測不同器官(莖葉、穗和根)中不同礦質(zhì)元素(Na、K、Ca、Mg、P、Fe)積累變化情況，為深入探究抗堿鹽生植物虎尾草莖葉、穗和根對不同礦質(zhì)元素吸收、分配及區(qū)域化分布機(jī)制提供抗堿生理基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

虎尾草種子來源于吉林省長嶺草原站。試驗于2019 年5 月26 日開始至2019 年7 月16 日結(jié)束。將飽滿、均一的虎尾草種子等距離播種于盛有蛭石的塑料花盆內(nèi)。每隔1 d 以Hongland 完全培養(yǎng)液澆灌，其余時間蒸發(fā)量則用蒸餾水補(bǔ)足。供試植物在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室大棚中培養(yǎng)，試驗期間白天溫度為 22～28 ℃，夜間溫度為19～22 ℃，通風(fēng)良好。

1.2 試驗設(shè)計

配置濃度為150 mmol·L-1堿性鹽溶液(NaHCO3∶Na2CO3= 9 ∶ 1)作為堿脅迫液，以不加脅迫液的Hongland 完全培養(yǎng)液培養(yǎng)的虎尾草作為對照，隨機(jī)分成對照組和脅迫組各10 盆，從分蘗期時對其進(jìn)行堿脅迫處理，每盆400 mL 分3 次透灌，對照組只澆完全營養(yǎng)液，堿脅迫時間從6 月16 日至7 月16 日，測定葉片光合指標(biāo)，取出每盆全部植株，先稱取鮮重，洗去根部蛭石。先用自來水沖洗后植株，再用蒸餾水沖洗，然后用濾紙吸干植株表面的水分，分莖葉、穗和根3 個器官進(jìn)行收樣，隨后將其置于90 ℃烘箱內(nèi)殺青15 min，然后于50 ℃下烘干至恒重，稱取干重，分別將干樣品粉碎混合，用于不同礦質(zhì)元素含量的測定，每個樣品3 個重復(fù)。

1.3 測定指標(biāo)和方法

光合參數(shù)用LⅠ-6400 便攜式光合儀(美國)在1 200 μmol·(m2·s)-1的有效光輻射(photosynthetically active radiation, PAR)強(qiáng)度下，于08:30 - 10:30 測定虎尾草葉片凈光合速率(net photosynthetic rate, Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance, Gs)、蒸騰速率(transpiration rate, E)等指標(biāo)。均選第3 片完全展開的功能葉片測定，每片葉子測定9～20 次，每次重復(fù)測定5 片葉子取平均值。

元素測定方法：準(zhǔn)確稱取烘干并粉碎、過篩的植物樣品0.1 g，置于50 mL 小燒杯中，加入10 mL HNO3和1 mL HClO4，置于電熱板上100 ℃左右低溫加蓋消解，蒸發(fā)至約0.5 mL 時，開蓋繼續(xù)加熱至近粘稠狀態(tài)，并加熱至白煙冒盡。加0.5 mL HNO3微加熱，用沸水沖洗內(nèi)壁，冷卻后定容至5 mL，靜置過夜，此溶液為待測液。采用電感耦合等離子體光譜儀測定不同器官中不同礦質(zhì)元素(Na、K、Ca、Mg、P、Fe)含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，使用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堿脅迫對虎尾草生物量和光合作用的影響

長達(dá)一個月的堿化環(huán)境明顯降低了虎尾草莖葉、穗和根的生物量(圖1)。

圖1 堿脅迫對虎尾草生物量的影響Figure 1 Effects of alkali stress on the biomassof Chloris virgata

同時，堿脅迫也明顯抑制了虎尾草的光合作用(表1)。與無脅迫對照相比，虎尾草在堿脅迫下，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率顯著降低(P＜ 0.05)。

表1 堿脅迫環(huán)境對虎尾草葉片光合作用的影響Table 1 Effects of alkaline stress environment on leaf photosynthesis of Chloris virgata

2.2 堿脅迫對虎尾草不同器官元素含量的影響

虎尾草在長達(dá)一個月堿化環(huán)境中，莖葉和根中積累大量Na，顯著高于對照(P＜ 0.05)，而對穗影響較小(圖2)?；⑽膊萜渌罅康V質(zhì)元素(K、Ca、Mg、P)在應(yīng)對高濃度堿化環(huán)境時在莖葉、穗中含量均顯著低于對照水平(P＜ 0.05)，脅迫后的根中P 含量略低于對照，其中莖葉中大量元素K 和Mg 含量明顯高于穗中含量，穗中Mg 和K 含量明顯高于根中，整體呈現(xiàn)下降趨勢。Ca 含量主要在根中積累，堿脅迫后均表現(xiàn)出不同程度的下降，其中堿脅迫環(huán)境直接抑制了穗中Ca 元素的積累。P 元素主要積累在穗中，這對虎尾草生殖生長至關(guān)重要，而脅迫后均有不同程度的下降。對于微量元素Fe 來說，正常情況下主要在根中積累，堿脅迫后莖葉和穗中Fe 含量有所升高。

圖2 堿脅迫對虎尾草不同器官不同礦質(zhì)元素含量的影響Figure 2 Effects of alkali stress on the content of different mineral elements in different organs of Chloris virgata

2.3 堿脅迫對虎尾草不同礦質(zhì)元素在不同器官中的分布百分率的影響

對虎尾草不同元素在不同器官間的積累分布百分率變化分析發(fā)現(xiàn)(表2)，堿脅迫后，Na、K、Ca、Mg、Fe 各元素在莖葉中相對含量明顯高于穗和根，而P 元素堿脅迫后仍在穗中大量積累，虎尾草P 元素在穗中積累49.80%，脅迫后為50.02%。正常情況下虎尾草元素Na、Ca、Fe 在根中大量積累，其中根中Na 占61.19%，Ca 占62.53%，F(xiàn)e 占94.00%；堿脅迫后元素Na、Ca、Fe 從根中轉(zhuǎn)移到莖葉，脅迫后莖葉中Na 占90.95%，Ca 占55.51%，F(xiàn)e 占72.39%。脅迫前后元素K、Mg 在莖葉中相對含量最大，且脅迫后莖葉中K 含量由原來的79.62%升高至94.54%，Mg 含量由原來的62.96%升高到93.09%。

表2 不同礦質(zhì)元素在不同器官間的分布Table 2 Distribution percentage of each element in different organs

2.4 堿脅迫下虎尾草不同器官內(nèi)不同礦質(zhì)元素的相對貢獻(xiàn)率變化

對虎尾草不同器官內(nèi)部元素分布相對含量的相對貢獻(xiàn)率分析發(fā)現(xiàn)(表3)，堿化環(huán)境下虎尾草元素Na 在莖葉、穗和根中顯著積累(P＜ 0.05)，其中莖葉中積累變化最大，脅迫后莖葉中元素Na 含量是對照的28.399 倍，二者差異顯著，根中變化倍數(shù)是8.924，二者差異顯著。微量元素Fe 在各器官中的相對貢獻(xiàn)率不高，堿脅迫仍促進(jìn)了Fe 元素在莖葉和穗中的積累，變化倍數(shù)不大，分別為2.253 和1.835。而虎尾草不同器官內(nèi)其他元素相對貢獻(xiàn)率在堿脅迫后均有不同程度的下降，其中莖葉中K 含量下降最多，由對照的79.36%顯著下降到35.17%；其次是莖葉中的Ca 含量顯著下降。

表3 不同器官內(nèi)各元素的相對貢獻(xiàn)率Table 3 Relative contribution rate of each element in different organs

2.5 堿脅迫下虎尾草不同元素在不同器官中占元素總量的貢獻(xiàn)百分率

對虎尾草各元素在整株植物不同器官中占元素總含量的貢獻(xiàn)百分率分析發(fā)現(xiàn)(表4)，正常環(huán)境下在虎尾草的莖葉、穗、根中，元素K 均大量分布在莖葉、穗和根中，尤其在莖葉中K 的相對含量為43.065%，而脅迫后莖葉中K 的相對含量下降至18.654%，穗中K 的相對含量為23.571%，脅迫后K 的相對含量下降至17.932%。其次是Ca，莖葉中Ca 含量占總元素含量的3.652%，根中占5.505%，脅迫后均有不同程度的下降。在堿化環(huán)境下，3 個器官中的Na 均大量積累，尤其是莖葉中Na 的相對含量由原來的0.707%升高至28.397%，根中Na 的相對含量由原來的1.114%升高至14.055%。穗中P 含量在脅迫前后相對含量貢獻(xiàn)百分率變化不大。從整體上看，對照中虎尾草體內(nèi)的主要元素是K，堿脅迫后各個器官中莖葉相對積累大量元素Na，而虎尾草穗部依舊維持較高的K 含量，相對變化不大的元素P，維持穗正常生長。

表4 不同礦質(zhì)元素在不同器官中占元素總量的貢獻(xiàn)百分率Table 4 Percentage contribution of each element to the total in different organs

3 討論

3.1 堿脅迫對虎尾草生物量和光合作用的影響

鹽脅迫通常通過滲透脅迫和離子毒害來抑制植物生長發(fā)育。而堿脅迫對植物的傷害遠(yuǎn)高于相同強(qiáng)度的鹽脅迫。堿化環(huán)境對植物的傷害作用除了滲透脅迫和離子毒害外還涉及高pH 直接引起的物理傷害和間接造成的營養(yǎng)脅迫。堿脅迫抑制種子萌發(fā)、幼苗生長，影響根、莖、葉器官的發(fā)育[20-21]。本研究結(jié)果同樣表明堿化環(huán)境影響虎尾草的生長發(fā)育，降低了莖葉、穗和根的生物量，同時堿化環(huán)境也抑制了葉片的光合作用，降低了虎尾草水分利用效率等，葉片的光合速率下降導(dǎo)致虎尾草葉片光合作用積累有機(jī)物的能力降低，進(jìn)而影響虎尾草生物量的積累。長期脅迫會影響植物氣孔張開，進(jìn)而抑制植物凈光合速率，氣孔關(guān)閉明顯限制了虎尾草在脅迫環(huán)境下的光合作用[22]，消耗較少的二氧化碳和水，使脅迫后虎尾草的胞間二氧化碳濃度增加，葉片含水量減少，但影響不顯著，虎尾草在堿脅迫后葉片中儲備足夠的水作為溶質(zhì)以供正常的生長發(fā)育。

3.2 堿脅迫環(huán)境下虎尾草不同器官對Na 元素的吸收、運(yùn)輸及控制

堿化環(huán)境通過抑制植物生長發(fā)育進(jìn)而干擾植物碳、氮、氧及其次生代謝，也影響根系對礦質(zhì)離子的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、分布和利用[21]。作為植物非必需元素Na，植物在鹽堿化環(huán)境下能否存活取決于對Na+的有效控制，鹽脅迫環(huán)境下在植物不同組織或器官中Na+分布也不均衡，新葉中濃度較低，老葉或老莖中濃度較高[23]。本研究同樣表明抗堿鹽生植物虎尾草在應(yīng)對高堿化環(huán)境過程中表現(xiàn)出根、莖和成熟葉片中積累大量Na，而對幼嫩穗中影響不大，幼嫩組織細(xì)胞代謝活躍，細(xì)胞分裂、分化速度較快，無成型的大液泡，僅有分散的小液泡，因此幼嫩組織中無法貯存大量的離子，這種離子在組織器官間的不均勻分布，可能是植物對脅迫的一種適應(yīng)策略[24]。相對于無脅迫對照，堿脅迫后虎尾草莖葉中積累大量的Na，莖葉中Na 元素在堿脅迫后占該器官元素相對貢獻(xiàn)率最高，Na 元素在不同器官中占元素總量的貢獻(xiàn)百分率分析發(fā)現(xiàn)，在莖葉中含量最高。說明虎尾草在堿化環(huán)境中對高濃度的Na 具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力，可以把大量的Na 儲存在根和莖葉中，進(jìn)而保護(hù)新生的小穗，能夠正常完成生活史。同時Na 也可以通過滲透調(diào)節(jié)，緩解細(xì)胞滲透勢帶來的傷害[25]，有利于植物對水分的吸收，植物還可以通過離子區(qū)域化把不利于滲透調(diào)節(jié)的無機(jī)離子轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡中暫時性儲存起來，這均是植物適應(yīng)堿化環(huán)境的調(diào)控能力表現(xiàn)。

3.3 堿脅迫環(huán)境下虎尾草不同器官對K 元素的吸收、運(yùn)輸及積累

K 元素是植物體內(nèi)大量元素中重要的礦質(zhì)元素，是許多酶的活化劑，也是40 多種酶的輔助因子[26]。K+通過構(gòu)成滲透勢調(diào)節(jié)水分代謝，進(jìn)而調(diào)節(jié)氣孔開閉、蒸騰；同時也參與能量代謝，作為H+的對應(yīng)離子，向膜內(nèi)外轉(zhuǎn)移，參與光合磷酸化、氧化磷酸化過程。因此，在正常環(huán)境下，植物積累大量的元素K 以維持正常的生長發(fā)育。本研究表明虎尾草在對照環(huán)境下莖葉中積累大量元素K，同時發(fā)現(xiàn)，莖葉、穗和根中元素K 的相對貢獻(xiàn)率均為最高。各元素在不同器官中占元素總量的貢獻(xiàn)百分率分析中發(fā)現(xiàn)，莖葉和穗中元素K 占元素總量的貢獻(xiàn)百分率也是最高的，證明植物根系吸收元素K 大量運(yùn)輸并積累到莖葉和穗中，同時參與植物正常代謝。在長達(dá)一個月的堿脅迫后不同器官中元素K 含量相對于對照明顯下降，但器官內(nèi)各元素的相對貢獻(xiàn)率分析表明，莖葉中除了Na 元素外元素K 仍占相對較高的貢獻(xiàn)率，穗中元素K 相對于其他元素依然維持最高的貢獻(xiàn)率，與流蘇(Chionanthus retusus)幼苗在NaCl脅迫下器官內(nèi)K 的分布不同[27]。大量元素K 作為可以移動的重要的礦質(zhì)元素，主要吸收方式通過根系吸收并向地上部位運(yùn)輸，堿脅迫后莖葉中成熟的葉片除通過液泡儲存大量Na+外，依然可以維持較高的K+水平，同時還運(yùn)輸?shù)接啄鄣男律M織穗中，在穗中維持高K 低Na 的水平，進(jìn)而保證虎尾草在長期堿化環(huán)境下仍抽穗所需的礦質(zhì)營養(yǎng)。

3.4 堿脅迫環(huán)境下虎尾草不同器官對Ca、Mg、P 和Fe 元素的吸收、積累

Ca 與Na 的積累均與植物的滲透調(diào)節(jié)機(jī)制有關(guān)，有試驗[28]表明Ca 在干旱條件下在葉片中大量積累。本研究發(fā)現(xiàn)在堿脅迫條件下植物根部仍能維持Ca 元素正常水平，根中Ca 的相對貢獻(xiàn)率高于K，而穗中含量明顯降低，這與李東曉等[28]研究結(jié)果相同。根長期受堿脅迫環(huán)境影響，大量吸收、積累和儲存Ca，更有利于抵制堿性環(huán)境，一般來說，根系吸收Ca 向上運(yùn)輸并在器官中積累，當(dāng)植物出現(xiàn)缺素癥時，Ca 很難從葉片向幼穗中運(yùn)輸，這可能也是堿脅迫下穗中Ca 含量降低的原因，但根仍發(fā)揮它的吸收功能，積累更多的Ca 來維持植物正常代謝。

堿脅迫明顯降低不同器官中元素Mg 含量，但Mg 在不同器官間的分布百分率表明，脅迫后莖葉中Mg 的分布百分率升高到93.09%，堿脅迫對Mg 在不同器官中占元素總量的貢獻(xiàn)百分率幾乎沒有影響。Mg 作為葉綠素的組成成分之一，同時也是許多酶的活化劑，對植物正常生長發(fā)育至關(guān)重要，因此虎尾草在長期堿化環(huán)境下仍能維持正常的Mg 貢獻(xiàn)百分率以保證虎尾草能夠抽穗所需要的Mg 含量。

P 在糖類代謝、蛋白質(zhì)代謝和脂肪代謝中起著重要作用，堿脅迫對虎尾草穗中P 含量影響不大，其莖葉和穗中均維持較高的分布百分比，器官內(nèi)P 相對貢獻(xiàn)率變化不大，堿脅迫后P 在穗中占元素總量的貢獻(xiàn)百分率最高。在板栗(Castanea mollissima)的研究中發(fā)現(xiàn)，對板栗花器官發(fā)育有著重要的影響[29]，因此推測P 是虎尾草在逆境下成穗的關(guān)鍵。

堿脅迫后微量元素Fe 在莖葉和穗中占元素總量的貢獻(xiàn)百分率升高，此外Fe 在堿脅迫后莖葉中分布百分率最高，因為脅迫后莖葉中Fe 的相對貢獻(xiàn)率上升。Fe 在脅迫后對虎尾草的莖葉和穗均有相對較高的貢獻(xiàn)率，F(xiàn)e 被根系吸收后大量隨蒸騰流運(yùn)輸?shù)降厣喜糠郑ＷC莖葉和穗部的元素供應(yīng)，這可能也是虎尾草在堿性環(huán)境下維持光合作用的一種手段，減少脅迫對光合作用的影響。已有研究[30]表明，F(xiàn)e 在光合作用等方面均有重要作用，而其具體耐堿機(jī)制值得更深入研究。Fe、Mg 元素在植物中主要與植物光合作用有關(guān)，這也是在被根吸收后，F(xiàn)e、Mg 被大量運(yùn)輸?shù)饺~片中的原因，這與劉寧等[31]在杜梨(Pyrus betulaefolia)上的研究結(jié)論相似。

4 結(jié)論

綜上所述，鹽生植物虎尾草在長期的堿化環(huán)境下仍能抽穗，完成生活史，表現(xiàn)在莖葉對Na 有較好的區(qū)域化控制，同時在不同器官中均維持較高的K 水平，尤其在穗中維持較高的K 和P 含量，保證了小穗生長發(fā)育的營養(yǎng)元素來源，同時莖葉和穗中通過吸收、積累一定的Fe 和Mg，保證正常的代謝水平。在長期堿化環(huán)境下虎尾草器官內(nèi)不同礦質(zhì)元素的相對貢獻(xiàn)率和不同元素在不同器官中占元素總量的貢獻(xiàn)百分率均能維持較高的水平。虎尾草通過吸收大量K 來維持植物體內(nèi)滲透平衡，同時較好協(xié)調(diào)莖葉、穗和根中Ca、Mg、P 和Fe 各元素水平，使其發(fā)揮各自作用，不同器官通過對不同礦質(zhì)元素吸收、運(yùn)輸、積累變化達(dá)到動態(tài)平衡，進(jìn)而從不同礦質(zhì)元素平衡角度證實(shí)了抗堿鹽生植物虎尾草的耐貧瘠能力較強(qiáng)。